基于ANSYS軸承曲面軸瓦結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響

周小龍，毛杰偉，劉文浩，王增鵬

(1.東北電力大學(xué) 工程訓(xùn)練教學(xué)中心，吉林 吉林 132012；2.吉林石化工程設(shè)計(jì)有限公司，吉林 吉林 132012；3.中國(guó)石油吉林石化公司，吉林 吉林 132012)

?

基于ANSYS軸承曲面軸瓦結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響

周小龍1，毛杰偉1，劉文浩2，王增鵬3

(1.東北電力大學(xué) 工程訓(xùn)練教學(xué)中心，吉林 吉林 132012；2.吉林石化工程設(shè)計(jì)有限公司，吉林 吉林 132012；3.中國(guó)石油吉林石化公司，吉林 吉林 132012)

推力滑動(dòng)軸承的軸頸和軸瓦是以面接觸的形式進(jìn)行滑動(dòng)摩擦。如果軸頸和軸瓦之間沒(méi)有穩(wěn)定有效的油膜，待油膜破裂之后就會(huì)出現(xiàn)軸承與軸頸之間發(fā)生直接摩擦使得軸承失效，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要原因是由軸瓦的周向、徑向的彎曲高度的取值不同所產(chǎn)生。通過(guò)推力滑動(dòng)軸承的曲面軸瓦不同周向、徑向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析得出：靠近外徑高壓區(qū)域面積越大而且壓力也越大，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)這種壓力分布的好處在于油膜穩(wěn)定有效性相對(duì)于只有周向凸起的軸瓦要好。

曲面軸瓦；數(shù)值模擬；壓力分布；周向結(jié)構(gòu)；徑向結(jié)構(gòu)；流場(chǎng)

長(zhǎng)久以來(lái)，滑動(dòng)軸承很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在許多重要場(chǎng)合的作用仍然至關(guān)重要[1]。如在高速、高精度等場(chǎng)合下，滑動(dòng)軸承所起的作用比滾動(dòng)軸承更為顯著，而且在有些特殊的場(chǎng)合只有滑動(dòng)軸承才能勝任[2-4]。由于動(dòng)壓油膜的存在，使得軸瓦和軸頸之間的摩擦和噪聲減小很多，從而大大提高了軸承的承載能力[5]。如果使用方法不當(dāng)很容易使動(dòng)壓油膜破裂，使得軸承失效。軸承的失效形式有很多種，所產(chǎn)生失效的原因也是多方面的。首先，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理以及加工時(shí)的誤差和配合達(dá)不到要求[6-8]；其次，材料的選擇不當(dāng)使得工作時(shí)達(dá)不到最佳狀態(tài)；還有一些就是使用不當(dāng)所造成[9-10]。

綜上所述，滑動(dòng)軸承磨損失效的形式有很多，也是比較復(fù)雜的，但其最根本的原因還是軸瓦的結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵性的作用。本文是以動(dòng)壓滑動(dòng)軸承為例，針對(duì)軸瓦的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，觀察波形曲面瓦推力滑動(dòng)軸承能否形成有效流場(chǎng)。

1 模型建立及劃分網(wǎng)格

圖1 波形曲面瓦面形狀特征

建立曲面軸瓦的模型如圖1所示，假設(shè)周向彎曲高度為h1，徑向彎曲高度為h2。為了發(fā)揮結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格各自的優(yōu)點(diǎn)和得到質(zhì)量較高、計(jì)算速度快的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，本文采用了混合網(wǎng)格劃分方法對(duì)不同的區(qū)域油膜采取不同的網(wǎng)格類型[6-7，11]。油膜模型整體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 油膜整體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

2 軸瓦周向彎曲高度對(duì)軸承流場(chǎng)的影響

為了獲得合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，首先選取油膜厚度和徑向彎曲高度h2分別取值為10 um和5 um，周向彎曲高度h1為變量。軸承模型結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體設(shè)置，如表1所示。

表1 軸承模型結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

圖3 周向結(jié)構(gòu)變化對(duì)軸承壓力場(chǎng)的影響

通過(guò)圖3可以看出，隨著h1不斷增加的同時(shí)，動(dòng)壓區(qū)域的面積隨之減小，而軸承的承載力出現(xiàn)了先增加后減小的波動(dòng)。

3 軸瓦徑向彎曲高度對(duì)軸承流場(chǎng)的影響

為了對(duì)軸瓦結(jié)構(gòu)考慮的更具全面性，下面對(duì)徑向彎曲高度進(jìn)行分析。選取周向彎曲高度和油膜厚度為固定值，徑向的彎曲高度取值分別為0 um 、5 um 、10 um 、20 um，可以得到相應(yīng)的壓力分布，如圖4所示。

圖4 徑向結(jié)構(gòu)變化對(duì)軸承壓力場(chǎng)的影響

從圖4中可以看出，改變徑向彎曲高度并沒(méi)有形成有效的流體動(dòng)壓區(qū)?？梢?jiàn)，在軸承運(yùn)行過(guò)程中只改變徑向彎曲高度不能形成有效的動(dòng)壓油膜。

4 結(jié) 論

由于這四點(diǎn)不足以代表流場(chǎng)的變化趨勢(shì)，接下來(lái)將在0 um到20 um之間進(jìn)行插入不同的彎曲高度值，記錄下與之相對(duì)應(yīng)的承載力，即可得到其波形曲面形狀的變化曲線，如圖5、圖6所示。

周向彎曲高度改變所引起的承載力變化曲線，如圖5所示。在h1為2 um時(shí)出現(xiàn)了波峰，隨后逐漸減小。圖6為徑向彎曲高度改變所引起的承載力變化曲線，承載力隨著徑向彎曲高度的增加而逐漸減小。通過(guò)對(duì)比可以得到，對(duì)于這種周向上凸，徑向下凹的曲面軸瓦，在油膜間隙周向收斂區(qū)域形成高壓區(qū)，在周向發(fā)散區(qū)域形成負(fù)壓區(qū)。由此可以看出，在軸承工作過(guò)程中，曲面軸瓦的周向結(jié)構(gòu)的不同對(duì)形成有效流體動(dòng)壓油膜起關(guān)鍵性的作用。

綜上所述，動(dòng)壓區(qū)域的形狀發(fā)生了一定的變化，圖中中間區(qū)域?yàn)楦邏簠^(qū)，首先被逐漸拉長(zhǎng)，然后開(kāi)始出現(xiàn)分裂，越是靠近外徑高壓區(qū)域面積越大壓力也越大，越是靠近內(nèi)徑高壓區(qū)域面積越小壓力也越小。在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)這種壓力分布的好處就是油膜穩(wěn)定有效性相對(duì)于只有周向凸起的軸瓦要好。

圖5 周向承載力變化曲線圖6 徑向承載力變化曲線

[1] 蔣秀龍，汪久根.軸線偏斜對(duì)可傾瓦推力軸承潤(rùn)滑性能的影響[J].潤(rùn)滑與密封，2011，36(3)：9-12.

[2] 黃剛，丁寶平.滑動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)體系現(xiàn)狀分析[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2010，8(1)：16-18.

[3] Sebastien Berger，Olivier Bonneau，jean Frene.Influence of axial thrust bearing defects on the dynamic behavior of an elastic shaft[J].Tribology International，2000，33(3):153-160.

[4] Michal Wasilczuk，Grzegorz Rotta.Modeling lubricant flow between thrust-bearing pads[J].Tribology International，2008，41(9):908-913.

[5] 王紅梅，徐曉棠.滑動(dòng)軸承的主要失效形式和失效機(jī)理[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2007，21(1)：82-83.

[6] Yan Guoping，Liu Zhenglin，Zhu Xueming，et al.Numerical Analysis of the Thermal-field of Ship Stem-Shaft Mechanical Sealed Faces under the Variational Working Conditions[J].Journal of Ship Mechanics，2008，12(3):45-49.

[7] 曹艷華，蔡魯鋒，張新風(fēng)，等.拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)，2014，41(4):67-69.

[8] 呂延軍.基于Reynolds邊界的滑動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)系數(shù)的計(jì)算及應(yīng)用[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(1)：61-65.

[9] 蘇葒，王小靜，張直明.滑動(dòng)軸承兩種油膜邊界條件的比較[J].潤(rùn)滑與密封，2002，27(5)：2-4.

[10] 張楚，楊建剛，郭瑞，等.基于兩相流理論的滑動(dòng)軸承流場(chǎng)計(jì)算分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(29)：80-84.

[11] 王立.基于數(shù)值模擬的橋殼鋼板性比較[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36(4)：91-95.

Effect Based on ANSYS Bearing Surface Bearing Structure on Flow Field

ZHOU Xiao-long1，MAO Jie-wei1，LIU Wen-hao2，WANG Zeng-peng3

(1.The Engineering Teaching Center，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Jilin Petrochemical Engineering Design Co.，Ltd，Jilin Jilin 132012；3.China Petroleum Jilin Petrochemical Company，Jilin Jilin 132012)

The thrust bearing of axle neck and axle bush in the form of surface contact for sliding friction.If no stable effective between journal and bearing oil film，after the oil film rupture occurs in direct friction between bearing and journal bearing failure，appear this kind of phenomenon is the main reason is that the circumferential and radial bending height of bearing bush.Through the thrust bearing surface bearing different circumferential and radial structure is analyzed and concluded:High pressure area near the diameter and the greater the pressure is，the greater the appear this kind of pressure distribution in the process of bearing operation effectiveness is the benefits of oil film stability is better compared to only circumferential bulge of bearing bush.

Surface bearing；The numerical simulation；Pressure distribution；Circumferential structure；The radial structure；The flow field

2016-04-12

周小龍(1987-)，男，吉林省長(zhǎng)春市人，東北電力大學(xué)工程訓(xùn)練教學(xué)中心助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造.

1005-2992(2016)05-0048-04

TH133.31

A